Samara, Russian Federation
Samara, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.31 Инструментальное производство
There are presented results of experimental investigations allowing the definition of factors (parameters) influencing the accuracy of basing and fastening a tool in a machine spindle. The plant design developed allows modeling the work of elements and mechanisms of a spindle unit of a jig-boring machine (JBM) at the moment of tool changing. The series of experiments carried out allowed drawing the following conclusions: - the accuracy of a tool installation in a machine spindle depends upon its angular position in a spindle taper; - angular errors of a tool cone element decrease a rigidity of a “spindle-tool” subsystem by 10…15%; - elastic movements in the area of a contact increase by 2-2.5 times at the presence of ovality in the cross-section of a holder (at ovality 18mkm); - the accuracy of tool location in a spindle increases with the increase of an axial tightening force (recommended tightening force – 3 ≤ Ptight. ≤ 5kN); - the holder operation results in the rigidity decrease of a tool system by 10…15% (operation term – 5 years).
errors, basing, fastening, tool holder, spindle, tool, plant
Введение
Отклонение фактической позиции закрепленного в шпинделе металлорежущего станка режущего инструмента относительно заданного положения, упругие деформации, которые возникают в коническом соединении «шпиндель - инструмент», радиальные перемещения, возникающие в результате действия радиальной составляющей силы резания, приводят к снижению (потере) точности позиционирования инструмента и, как следствие, точности обработки.
Основная цель проводимых исследований - определение факторов (параметров), влияющих на точность базирования и закрепления инструмента в шпинделе станка. Решались следующие задачи:
- анализ упругих деформаций в шпинделе;
- анализ точности установки инструмента в шпинделе;
- анализ упругих деформаций в подсистеме «шпиндель - инструмент» с учетом влияния радиальной составляющей силы резания;
- анализ степени влияния таких факторов, как усилие затяжки и макрогеометрические погрешности, на точность установки инструментальной оправки в шпинделе станка;
- выявление углового положения режущего инструмента в конусе шпинделя станка.
Конструкция стенда для моделирования работы системы автоматической смены инструмента координатно-расточного станка (КРС)
Разработанный стенд (рис. 1) позволяет моделировать работу элементов и механизмов шпиндельного узла КРС в момент смены инструмента.
Шпиндельный узел сконструирован в соответствии с требованиями ГОСТ, которые предъявляются к шпиндельным узлам координатно-расточных станков (классы А и С).
Изготовленный стенд предназначен для проведения широкого спектра исследований, направленных на изучение процесса смены режущего инструмента в шпиндельном узле применительно к внутренним конусам 40 конусности 7:24.
На действующем металлообрабатывающем оборудовании достаточно трудно оценить процессы, происходящие в коническом стыке подсистемы «шпиндель - инструмент». Задача может быть решена с использованием стенда, который позволяет варьировать отдельные конструктивные и эксплуатационные характеристики [1; 2].
|
Рис. 1. Конструкция стенда |
Основные элементы стенда: 1 - модель конусного отверстия шпинделя станка; 2 - оправка инструментальная измерительная; 3 - механизм, моделирующий захват инструмента; 4 - механизм, моделирующий зажим инструмента; 5 - механизм осевой силы затяжки; 6 - нагрузочное устройство для имитации радиальной составляющей силы резания; 7, 8 - индикаторы часового типа, фиксирующие результаты исследований.
Модель конусного отверстия шпинделя станка 1 [3] выполнена в виде фланцевой съемной втулки, позволяющей проводить экспериментальные исследования с инструментальными оправками различной конусности.
Механизм, моделирующий захват инструмента, 3 выполнен в виде шарикового захвата, который используется в конструкциях шпиндельных узлов металлорежущих станков высокой точности.
Механизм, моделирующий зажим инструмента, 4 сконструирован в виде пакета тарельчатых пружин, опирающихся на гайку, которая навернута на стакан. Усилие от пружин передается штоком.
|
5 |
Нагрузочное устройство для имитации радиальной составляющей силы резания 6 позволяет прикладывать усилие на оправке на расстоянии около 200 мм, что является оптимальной длиной расточных оправок. Посредством использования индикаторов 7 и 8, которые контролируют перемещения конуса инструмента, определяются процессы, происходящие в коническом соединении шпинделя и инструмента.
Конструкция стенда дает возможность применять инструментальные конусы с погрешностями макрогеометрии, микрогеометрии, а также варьировать величину усилия затяжки.
На стенде исследуется поведение инструмента в момент базирования и закрепления в шпинделе.
Для проведения экспериментальных исследований были использованы различные виды инструментальных оправок, как контрольных (специально изготовленных), так и применяемых для обработки на КРС.
Контрольные оправки 40 конусности 7:24 (3 штуки) имели различные параметры: две (разработаны с целью моделирования угловых погрешностей) имели отклонения большого и малого диаметров в пределах 7 степени точности, третья изготовлена в соответствии с требованиями ГОСТ.
Кроме контрольных оправок в эксперименте участвовали три оправки 40 конусности 7:24, используемые на КРС: инструментальная оправка с резцом Æ 27…42 КУ408С (рис. 2а); инструментальная оправка с резцом Æ 60…90 КУ433 (рис. 2б); инструментальная оправка с фрезой (рис. 2в). Конструкции инструментальных оправок с резцом имеют поясок (выборку) на конической части поверхности, оправка с фрезой - цельная.
|
а) |
|
б) |
|
в) |
Рис. 2. Инструментальные оправки
Основные размеры оправок были измерены на специальной измерительной машине (рис. 3). Измерения показали соответствие требованиям ГОСТ 19860-93 «Конусы внутренние и наружные конусностью 7:24. Допуски».
Рис. 3. Координатно-измерительная машина: 1- основание машины; 2 - столешница; 3 - направляющие по оси Y; 4 - мост машины; 5 - ручка для фиксации контактного щупа; 6 - направляющая по оси Z; 7 - X, Z каретка машины; 8 -настройка противовеса; 9 - блокировка оси / настройка зацепления; 10 - машинный щуп; 11 - блок управления и VGA монитор; 12 - доп. оборудование; 13 - Z мышка; 14 - подача воздуха (не видно на рисунке); 15 - подшипники (не видны на рисунке); 16 - измерительная система (не видна на рисунке); 17 - ножки выравнивания измерительной машины; 18 - противонаклонные болты машины; 19 - ножки выравнивания гранитной столешницы (не видны на рисунке); 20 - кнопка
точной регулировки
|
17 |
На рис. 4, 5 представлены конструкции конических частей инструментальных оправок.
|
а) |
|
б) |
|
в) |
Рис. 4.
Рис. 4. Конструкции конических частей инструментальных оправок:
а - оправка с резцом Æ 27…42 КУ408С; б - оправка с резцом Æ 60…90 КУ433; в - оправка с фрезой
Рис. 5. Конструкция контрольной оправки
Модель шпиндельного узла изготовлена из стали 12XH3A с цементацией на глубину 1,0…1,2 мм (твердость 60…63 HRC).
Из стали 20X с последующей цементацией на глубину 1,2…1,5 мм (твердость 58…62 HRC) были изготовлены контрольные инструментальные оправки.
Радиальное биение цилиндрической части инструментальной оправки относительно конической поверхности конусности 7:24 составило не более 0,001 мм.
|
18 |
Шероховатость конических опорных поверхностей инструментальных оправок соответствовала Ra = 16...32.
Запись профилограмм в шести сечениях (рис. 6) [4] позволила произвести обследование геометрических параметров конической части инструментальных оправок.
В результате измерений отклонений профиля сечения конической части инструментальных оправок можно оценить характер изменения топографии конуса оправки вдоль образующей.
Профилограммы сечений конической части шпинделя и инструментов, записанные на профилометре Talyrond (рис. 7), позволили оценить степень точности инструментальных оправок и сделать вывод о наличии отклонения формы в виде отклонения от круглости (таблица).
|
Рис. 6. Схематичное изображение измерения круговых профилограмм |
Рис. 7. Talyrond
Таблица
Результаты измерений отклонений профиля сечения конической части инструментальных оправок (отклонение от круглости по длине конуса, мкм)
|
Конус 7:24 |
Номер сечения конуса |
Вывод о соответствии степени точности по ГОСТ 19860-93 |
|||||||
|
№ конуса |
Оправки |
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
||
|
Отклонения, мкм |
|||||||||
|
40 |
Контрольные |
1 |
2 |
2 |
1 |
2 |
3 |
4-6 |
|
|
40
|
Рабочие оправки |
Расточная |
2 |
2 |
3 |
2 |
2 |
2 |
6-7 |
|
Оправка с фрезой |
18 |
18 |
18,3 |
4 |
4 |
5 |
Не соотв. ГОСТ |
||
|
Расточная |
2 |
2 |
2,5 |
2 |
2 |
3 |
6-7 |
||
Результаты измерений позволили выявить превышение предельно допустимого значения отклонения от круглости (овальность большого диаметра) у оправки с фрезой в 4,5 раза.
|
Рис. 8. Схема для анализа точности установки оправки |
Для исследования точности установки инструментальной оправки в шпинделе были использованы 3 контрольные оправки, которые устанавливались в шпиндель стенда без силы затяжки в определенной позиции, отмеченной на торце шпинделя.
При помощи индикатора 2 (рис. 8) контролировали перемещения оправки.
|
19 |
Для обеспечения точности проводимых исследований эксперимент повторяли 25 раз, поворачивая оправки последовательно на 45° (45°, 90° и т.д.).
Результаты исследований показали зависимость точности установки инструментальной оправки от ее углового положения в шпинделе.
Наличие угловых погрешностей контрольных оправок (№ 1 и № 2) привели к большим перемещениям, чем у оправки № 3 (рис. 9).
Рис. 9. Точность установки контрольных
оправок в зависимости от их положения
в шпинделе (
- средние
значения перемещения оправок)
Анализ зависимости точности расположения оправки от величины силы затяжки
Также на стенде были проведены эксперименты с целью определения влияния на точность расположения оправки ряда параметров: макрогеометрических параметров оправки, положения оправки в момент закрепления, величины силы затяжки.
Значения усилий затяжки, необходимые для закрепления оправки, были рассчитаны по известным зависимостям [5; 6].
В результате расчетов по данным зависимостям были установлены необходимые величины осевой силы затяжки для конуса 7:24, наиболее часто используемого в станках с ручной сменой инструмента и многооперационных станках: = 3,7 кН и
= 5,9 кН.
Разница полученных значений составила »30%, что допускается при предварительных проектных расчетах.
|
20 |
При проведении исследований использовались следующие значения силы затяжки: 1, 2, 3 и 5 кН.
Применение величины силы затяжки 5 кН привело к заклиниванию механизма, что было вызвано деформированием грибка инструментальной оправки.
В связи с этим можно дать рекомендации при уточнении расчетных значений силы затяжки: целесообразно, кроме контактных процессов в коническом соединении, учитывать их и в конструкции захватывающего устройства.
С целью проведения дальнейших исследований использовались значения сил 0…3 кН для контрольных инструментальных оправок 40.
Инструментальная оправка затягивалась осевой силой затяжки Рзат в шпинделе стенда в фиксированной позиции, закрепляясь за грибок шариковым захватом, после чего снимались показания индикатора 1 (рис. 10). Ослабив механизм затяжки и повернув оправку на 45°, ее снова затягивали и измеряли перемещения.
Средние значения перемещений в каждой позиции подсчитывались после 25 экспериментов [7; 8].
Результаты исследования зависимости точности расположения оправки от величины силы затяжки показали, что у наиболее точно изготовленной оправки (№ 3) наблюдается радиальное перемещение оси инструмента до 1 мкм (рис. 11) с увеличением силы затяжки до 1 кН.
|
Рис. 10. Схема для анализа зависимости точности расположения оправки от величины силы затяжки |
Рис. 11. График зависимости радиальных
отклонений от величины усилия затяжки
инструментальных оправок
Угловые погрешности оправок приводят к возрастанию данных значений: перемещение оси оправки составляет 1,5…3,4 мкм при силе затяжки 1 кН. Изменение силы до 3 кН приводит к уменьшению значений перемещений до 0,5...0,8 мкм.
Увеличение силы затяжки приводит к повышению точности расположения оправки в шпинделе.
Анализ упругих деформаций в подсистеме «шпиндель - инструмент» с учетом влияния радиальной составляющей силы резания
Также на стенде был проведен ряд экспериментов для определения точности расположения оправки, зависящей от ее углового положения в шпинделе и упругих деформаций конического соединения подсистемы «шпиндель - инструмент», в зависимости от сил резания [9; 10].
При проведении исследований на стенде были использованы три контрольные оправки 40 конусности 7:24, а также три оправки, применяемые при обработке на станке. По результатам замера профилограмм оправок наиболее часто применяемая оправка с фрезой имела отклонение от круглости в виде овальности в области большего диаметра, превышающее предельно допустимое значение в 4,5 раза.
|
21 |
|
Рис. 12. Схема измерений |
Оправку закрепляли в фиксированной позиции с усилием затяжки 3000 Н.
Величина радиальной составляющей силы резания принималась в диапазоне = 500…2000 Н, что было получено в результате расчетов для чистовой обработки на координатно-расточном станке с применением различных инструментов.
Нагрузочным устройством имитировали силу резания, поэтапно увеличивая ее до 2000 Н.
Показания регистрировались индикаторами 7 и 8 (рис. 12). После замера снимали нагрузку и осевую силу затяжки. Меняя положение инструментальной оправки поворотом на 300 (600, 900 и т.д.), эксперимент проводили 25 раз. По средним полученным значениям строился график радиальных перемещений.
Заключение
Проведенный анализ и определение упругих деформаций контрольных инструментальных оправок показали увеличение их радиальных перемещений, связанное с наличием угловых погрешностей конической части оправок.
При условии сохранения величины осевой силы затяжки 3 кН, увеличения радиальной составляющей силы резания угол поворота контрольных оправок, имеющих угловые погрешности, носит нестабильный характер, зависящий от их положения в шпинделе.
В результате проведенных исследований можно сделать вывод об изменении угловой жесткости инструментальной системы, зависящей от положения инструментальной оправки в шпинделе станка. Угловая жесткость снижается на 10…15 % при наличии угловых погрешностей конической части инструментальных оправок (рис. 13).
Рис. 13. Результаты измерения угловой жесткости контрольных оправок по средним значениям
|
Рис. 14. Радиальные перемещения по показаниям 7-го индикатора |
|
Рис. 15. Угол поворота в фиксированной позиции |
|
22 |
В ходе экспериментов было установлено, что у оправки с фрезой, имеющей овальность большего диаметра, радиальные перемещения в 2…2,5 раза больше, чем у оправок с резцами (рис. 14).
При увеличении радиальной составляющей силы резания угловая жесткость подсистемы «шпиндель - инструмент» возрастает (рис. 15). Так, у оправки с фрезой максимальная величина угла поворота в шпинделе составила 0,030.
1. Kazakova, O.Yu. Povyshenie tochnosti obrabotki na stankah frezerno-sverlil'no-rastochnoy gruppy za schet minimizacii pogreshnostey instrumental'nyh sistem: dis. … kand. tehn. nauk: 05.02.08 / O.Yu. Kazakova. - Samara, 2013. - 182 s.
2. Petrunin, V.I. Issledovanie tochnosti i zhestkosti mehanizmov smeny instrumenta metallorezhuschih stankov: monografiya / V.I. Petrunin, A.F. Denisenko, O.Yu. Kazakova. - Samara: Izd-vo SamGTU, 2012. - 188 s.
3. GOST 30064-93. Koncy shpindeley sverlil'nyh, rastochnyh i frezernyh stankov. Razmery. Tehnicheskie trebovaniya. - Minsk: Mezhgos. sovet po standartizacii, metrologii i sertifikacii: Izd-vo standartov, 1994. - 14 s.
4. Tabenkin, A.N. Sherohovatost', volnistost', profil'. Mezhdunarodnyy opyt / A.N. Tabenkin, S.B. Tarasov, S.N. Stepanov. - SPb.: Izd-vo Politehn. un-ta, 2007. - 136 s.
5. Pashkevich, M.F. Tehnologicheskaya osnastka / M.F. Pashkevich, Zh.A. Mrochek, L.M. Kozhuro, V.M. Pashkevich. - Minsk: Adukacyya i vyhavanne, 2002. - 320 s.
6. Pronikov, A.S. Proektirovanie metallorezhuschih stankov i stanochnyh sistem. V 3 t. T. 3. Proektirovanie stanochnyh sistem / A.S. Pronikov. - M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana: Izd-vo MGTU «Stankin», 2000. - 584 s.
7. Nosov, N.V. Raschet nadezhnosti i kachestva tehnologicheskih processov / N.V. Nosov. - Samara: Samar. politehn. in-t, 1992. - 127 s.
8. Levina, Z.M. Kontaktnaya zhectkoct' mashin / Z.M. Levina, D.N. Reshetov. - M.: Mashinoctroenie, 1971. - 164 c.
9. Petrunin, V.I. Iccledovanie tochnocti pozicionirovaniya inctrumenta na ctankah tipa «obrabatyvayuschiy centr»: dic. … kand. tehn. nauk: 05.03.01 / V.I. Petrunin. - M., 1982. - 206 s.
10. Petrunin, V.I. Ekcperimental'noe iccledovanie privoda MAcI mnogooperacionnogo ctanka / V.I. Petrunin // Povyshenie uctoychivocti i dinamicheckogo kachectva metallorezhuschih ctankov. - Kuybyshev: KPtI, 1981. - S. 108-113.
